特種陶瓷分類和用途

特種陶瓷又稱精細(xì)陶瓷，按其應(yīng)用功能分類，大體可分為高強度、耐高溫和復(fù)合結(jié)構(gòu)陶瓷及電工電子功能陶瓷兩大類。在陶瓷坯料中加入特別配方的無機材料，經(jīng)過1360度左右高溫?zé)Y(jié)成型，從而獲得穩(wěn)定可靠的防靜電性能，成為一種新型特種陶瓷，通常具有一種或多種功能，如：電、磁、光、熱、聲、化學(xué)、生物等功能；以及耦合功能，如壓電、熱電、電光、聲光、磁光等功能。目前特種陶瓷已廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，下面我們來細(xì)分下特種陶瓷分類和主要用途:

（1）納米陶瓷： 

它是指晶粒尺寸，晶界寬度，第二相分布，缺陷尺寸均在100nm以下,并具有納米材料固有特征的陶瓷材料。必須指出，即使采用納米粉料，坯體在燒成過程中往往發(fā)生晶體迅速成長，甚至出現(xiàn)二次重結(jié)晶等問題，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)品已不是納米陶瓷，而是微米陶瓷，因而失去了納米材料的固有特性，也就不能稱為納米陶瓷.另一方面近來許多報道表明，一旦獲得納米陶瓷，將可望克服陶瓷材料的脆性，而且有顯著的超塑性和高強度。 

（2）陶瓷分離膜： 

它是一種固態(tài)膜，主要有兩部份構(gòu)成，即膜支撐體及多孔膜。支撐體廣泛采用含鋁量高的氧化鋁陶瓷。多孔膜主要由AL2O3，ZrO2，TiO2和SiO2等為主體構(gòu)成。一般分離膜孔徑為：2~50nm，有時達(dá)微米級，其品種，規(guī)格日趨多樣化。分離膜通常具有化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸，耐堿，耐有機溶劑，機械強度高，耐磨性好，可反向沖洗；抗微生物能力強；耐高溫；孔徑分布范圍窄，分離效率高等特點。目前許多產(chǎn)品已在廢水處理、果汁生產(chǎn)、固液分離等方面獲得應(yīng)用，可望在環(huán)境工程，石油化工，生物工程，冶金工業(yè)及納米粉料制備等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，市場前景頗好，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。當(dāng)前陶瓷膜分離技術(shù)發(fā)展迅速，正向著介孔膜及氣氣分離膜方向發(fā)展。 

（3）仿生復(fù)相陶瓷： 

為克服陶瓷材料的脆性，提高其韌性，國內(nèi)外許多科學(xué)家們從對天然生物材料如竹，貝殼等的結(jié)構(gòu)特征所進(jìn)行的判析中得到啟示，從而進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)陶瓷的材料設(shè)計，制備工藝等多方面進(jìn)行了研究。果然，獲得了某些仿生復(fù)相陶瓷。主要技術(shù)措施有纖維、晶須補強，顆粒彌散，自補強（原位生長），多相補強以及表面改性等。例如，YTZP陶瓷材料，室溫強度已達(dá)2000mpa以上，KIC已超過15，達(dá)到了可與某些金屬材料比較的強度。又如，SiC陶瓷通N2形成Si3N4表面層，使強度和斷裂韌性均有明顯提高?？傊畯?fù)相特種陶瓷材料所具有的高強度，高耐磨性等特點，在高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用已取得顯著效果，已成為結(jié)構(gòu)陶瓷研究熱點之一。 

（4）基板材料 

目前國內(nèi)外主要采用Al2O3陶瓷作為集成電路基板材料，然而隨著電子元器件向高性能、高密度、大功率、小型化、低成本方向發(fā)展，迫切希望采用高導(dǎo)熱系數(shù)陶瓷基板，理論上最適宜的候選材料有金剛石（C）、立方氮化硼（BN）、氧化鈹（BeO）、碳化硅（SiC）和氮化鋁（AlN）等。由于AlN導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)250W·m-1·K-1，雖比SiC及BeO略低，但比Al2O3略高8~10倍，其體積電阻率，擊穿強度，介電損耗等電氣性能可與Al2O3瓷媲美，且介電常數(shù)較低，機械強度也較高，熱膨脹系數(shù)為4.4ppm/℃，接近于Si可進(jìn)行多層布線?？梢哉J(rèn)為是最佳候選材料之一。目前日本德山曹達(dá)、東芝及美國一些公司已開始相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用，AlN陶瓷年總產(chǎn)量已逾千噸。國內(nèi)目前AlN基板尚處于起步階段，主要基本指標(biāo)導(dǎo)熱率大都在130~180 W·m-1·K-1。一些研究單位科技攻關(guān)產(chǎn)品性能已接近國際水平，但高性能、批量化、產(chǎn)品一致性和低成本化等方面的問題尚有待進(jìn)一步解決。 

（5）電阻基體材料 

電阻是電路的基本元件，應(yīng)用面廣，需求量大。一般碳膜、金屬膜電阻技術(shù)含量較低，產(chǎn)品價值不高，單件產(chǎn)品為微利，由于原材料、勞動力、能源等因素，目前國際市場有一定銷路，但國內(nèi)市場，價格競爭激烈。另一方面，高性能、超小型、大功率、高穩(wěn)定性新型片式、無感電阻國內(nèi)外市場廣闊，具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，由于技術(shù)和裝備方面的問題，目前我國尚處于起步階段。 

（6）電容器陶瓷介質(zhì)材料 

近年來主要發(fā)展趨勢是尋求大容量、小尺寸、高可靠、低價格的陶瓷電容器。與傳統(tǒng)BaTiO3基介質(zhì)材料相比，為提高介電常數(shù)和改善性能，出現(xiàn)了復(fù)合鈣鈦礦型材料。值得指出的是利用半導(dǎo)體p-n結(jié)的原理發(fā)展起來的晶界層電容器（GBLC）的出現(xiàn)，其視在介電常數(shù)較常規(guī)瓷介電容器的介電常數(shù)提高數(shù)倍至數(shù)十倍。以SrTiO3為基的晶界層電容器具有高介電常數(shù)，低介電損耗，低溫度系數(shù)以及色散頻率較高等優(yōu)點，是最有發(fā)展前途的瓷料之一。目前，國內(nèi)少數(shù)廠家已進(jìn)入批量生產(chǎn)，然而在高性能、高合格率方面尚存在一定差距。可以相信，晶界層多層電容器（GBMLC）瓷料的出現(xiàn)將使電容器向小型化方向發(fā)展取得重大突破。 

（7）壓電陶瓷材料 

壓電陶瓷是實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)換重要的功能材料，廣泛應(yīng)用于音響設(shè)備、傳感器、報警器、超聲清洗、醫(yī)療診斷及通訊等許多領(lǐng)域。一般壓電陶瓷材料為鋯鈦酸鉛（PZT）系，有的瓷料中氧化鉛含量高達(dá)60~70%左右，由于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵及燒結(jié)過程中的鉛揮發(fā)，這不僅給工藝和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定帶來諸多問題，而且給生態(tài)環(huán)境和人類的健康帶來危害，研究新型無鉛壓電陶瓷以減少對環(huán)境的污染己成為一項十分緊迫的任務(wù)。 

1961年前蘇聯(lián)學(xué)者Smolensky等人發(fā)現(xiàn)鈦酸鉍鈉（Bi1/2Na1/2）TiO3，簡稱BNT為鈣鈦礦型（ABO3）鐵電體。其居里點為320℃。極化困難限制其實際應(yīng)用，直到80年代末，90年代初日本學(xué)者Takenaka等人用Ba++ 對Bi1/2Na1/2 進(jìn)行A位置換，出現(xiàn)了BNT－BaTiO3系，即BNBT系壓電陶瓷，解決了BNT難以極化問題；獲得頻率常數(shù)高，介電常數(shù)較小，具有很大各向異性的新體系。可望在超聲領(lǐng)域中獲得應(yīng)用，近年來國內(nèi)外一些學(xué)者大都以BNBT系為基進(jìn)行改性研究，并已取得某些進(jìn)展，然而尋求無鉛高性能壓電陶瓷新系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的PZT系統(tǒng)決非易事，還有許多工作要做。 

（8）微波陶瓷介質(zhì)材料 

自從1971年Masse等人首次提出采用四鈦酸鋇（BaTi4O9）作為微波陶瓷介質(zhì)材料以來，隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是移動通訊向著高可靠，小尺寸方向發(fā)展，對材料的要求越來越高。為滿足不同用途的要求，微波陶瓷介質(zhì)材料種類有很多。主要有：TiO2；2MgO·SiO2；Al2O3；MgTiO3；BaTi4O9；BaTi9O20；(Zr,Sn)TiO4；Ba(Zr,Ti)O3；MgTaO3；BaO-ZnO-Nb2O5-Ta2O5；（Ca,Sr,Ba）O-ZrO2；BaO-TiO2-SnO2-Ln2O3等系統(tǒng)。無論哪種系統(tǒng)，一般都希望微波陶瓷材料具有適宜的介電常數(shù)ε，盡可能高的品質(zhì)因素Q0，盡可能低的頻率溫度系數(shù)τf，最好~0ppm/℃。我國目前通常按介電常數(shù)分為：低介ε≤20；中介ε~40；高介ε~100三大類。必須指出，高性能微波陶瓷的技術(shù)含量高，研制難度大，尤其是精確測定微波頻率下的Q0。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，使用頻率越來越高，從幾百兆正向著數(shù)十兆方向發(fā)展，近期可望達(dá)~40G。國際上美國已完成ε從2~250系列化研究工作，日、俄、德、法等少數(shù)國家已掌握高性能微波陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)，由于技術(shù)壟斷和保密等原因，微波陶瓷元器件的售價昂貴。當(dāng)前為滿足移動電話、汽車?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通訊、全球定位系統(tǒng)、射頻控制、基地站等民用及軍工技術(shù)對微波陶瓷元器件日益增長的需要，在微波陶瓷材料取得進(jìn)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究開發(fā)高性能同軸諧振器、柱狀、環(huán)狀諧振器、補丁天線等微波陶瓷元器件已提到重要議事日程。 

（9）熱敏陶瓷材料 

熱敏陶瓷材料主要包括負(fù)溫度系數(shù)（NTC），正溫度系數(shù)（PTC）及具有臨界溫度的負(fù)溫度系數(shù)（CTR）三大類材料。前兩類熱敏電阻應(yīng)用最廣，相對來說NTC熱敏電阻已有相當(dāng)大的生產(chǎn)規(guī)模，技術(shù)也較完善，PTC熱敏陶瓷用途極為廣泛，產(chǎn)品品種繁多，性能方面與國際水平的主要差距表現(xiàn)為高性能、穩(wěn)定性、一致性等諸方面.這些差距正在縮小，為克服高溫PTC材料含鉛污染環(huán)境的缺點，NiO-ZnO-TiO2系新材料已經(jīng)聞世，加熱溫度已達(dá)290℃，可望在溫度傳感，加熱及控制等方面獲得應(yīng)用。

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